半導體三極管及其放大電路基礎

半導體三極管及其放大電路基礎第1頁/共95頁2、結構和符號beTcNPNNPN型N+發(fā)射區(qū)N集電區(qū)P基區(qū)b基極e發(fā)射極c集電極發(fā)射結集電結NPN+ebcPNP型NP+Peb基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結集電結集電極c發(fā)射極基極beTcPNP第2頁/共95頁3、結構特點1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，且發(fā)射結的面積較小，便于發(fā)射載流子。2）集電結的面積大于發(fā)射結的面積，便于收集電子。3）基區(qū)非常薄，摻雜溶度也很低，減小復合。第3頁/共95頁二、BJT的放大工作原理正偏正偏反偏反偏飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)小信號放大電路的工作區(qū)放大工作時的外部條件：

發(fā)射結正偏，集電結反偏1、三極管的工作狀態(tài)第4頁/共95頁2、三極管（放大電路）的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；如何判斷組態(tài)？第5頁/共95頁PNP

管：

VBE<0

VBC>0即VC<VB<VEcebNPN

管：

VBE>0

VBC<0即VC>VB>VEceb發(fā)射結正向偏置集電結反向偏置IEIBRBVEEICVCC輸入電路輸出電路RCbce外部條件：第6頁/共95頁3、BJT內部載流子的傳輸過程VEERBNPN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子電子在基區(qū)擴散與復合電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流IEIEEB正極拉走電子，補充被復合的空穴，形成IBIB集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICICBJT中有兩種載流子參與導電，稱為雙極型晶體管第7頁/共95頁4、電流分配關系IE=IEN+IEP≈IEN

IB=IBN+IEP-ICBOIC=ICN+ICBO=IEN-IBN+ICBOIE=IC+IB第8頁/共95頁集電結收集的電子為發(fā)射區(qū)發(fā)射電子的一部分，用系數(shù)表示為通常IC>>ICBO則有所以可導出集電極電流和基極電流的關系：為共基極電流放大系數(shù)，它只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。一般

=0.90.99是共射極電流放大系數(shù)，只與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關，與外加電壓無關。一般

>>1（10～100）第9頁/共95頁5、放大作用vI=20mViE=-1mARLecb1kVEEVCCIBIEICVEB+vEB放大電路+iEii+-vI+iC+iBvO+-io=0.98iC=iEvO=-iC?

RLvO=0.98V非線性iC=-0.98mAiB=-20A電壓放大倍數(shù)第10頁/共95頁綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。三極管為電流控制器件實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內部條件：發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。第11頁/共95頁三、BJT的特性曲線

vCE=0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=constvCE=0VvCE

1V(1)當vCE=0V時，相當于發(fā)射結的正向伏安特性曲線。1.共發(fā)射極放大電路輸入特性曲線(2)當vCE≥1V時，vCB=vCE-vBE>0，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。第12頁/共95頁

2、輸出特性曲線iC=f(vCE)

iB=const輸出特性曲線的三個區(qū)域:飽和區(qū):iC明顯受vCE控制的區(qū)域，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時，發(fā)射結正偏，集電結正偏或反偏電壓很小。放大區(qū):iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結正偏，集電結反偏。截止區(qū):iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，vBE小于死區(qū)電壓(發(fā)射結反偏)。第13頁/共95頁四、BJT的主要參數(shù)

交流參數(shù)直流參數(shù)極限參數(shù)結電容Cb’c、

Cb’e集電極最大允許電流ICM集電極最大允許功率損耗PCM反向擊穿電壓極間反向電流 ICBO、

ICEO交流電流放大系數(shù) 、直流電流放大系數(shù)、特征頻率fT第14頁/共95頁五、溫度對BJT參數(shù)及特性的影響溫度T少子濃度IC

ICBO,

ICEO

IC=IB+(1+)ICBOIBVBE載流子運動加劇，發(fā)射相同數(shù)量載流子所需電壓輸入特性曲線左移

載流子運動加劇，多子穿過基區(qū)的速度加快，復合減少

ICIB輸出特性曲線上移輸出特性曲線族間隔加寬溫度每上升l℃，β值約增大0.5～1％溫度上升10℃，ICEO將增加一倍溫度上升1℃，VBE將下降2～2.5mV第15頁/共95頁4、2基本共射極放大電路電路構成三極管工作在放大區(qū)：

發(fā)射結正偏

集電結反偏使發(fā)射結正偏，并提供適當?shù)撵o態(tài)工作點。集電極電阻，將變化的電流轉變?yōu)樽兓碾妷骸ｑ詈想娙?，起到隔離直流、耦合交流的作用集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結反偏。+BCE－參考零電位點第16頁/共95頁RLvi~RBVCCVBBRCC1C2T單電源放大電路解決直接耦合所帶來直流電位相互牽制問題耦合電容應足夠大（幾uF到幾十uF）RBVCCVBBRCC1C2Tvi+-vo+-VCCC1C2TRCRBvivo第17頁/共95頁4、3放大電路的分析方法1、靜態(tài)分析硅管為0.7V鍺管為0.2V1）Q點的近似估算+－幾千到幾百千歐直流通路幾千到幾十千歐一、圖解分析法第18頁/共95頁2）圖解法確定Q點線性線性A、將電路分為三部分非線性線性部分直線方程輸入回路（Je）方程:輸出回路（Jc）方程:vBE=VBB－

iBRBvCE=VCC－iCRC直流負載線第19頁/共95頁B、作非線性部分的V－A特性－－三極管輸入、輸出特性曲線iC/mAC、作線性部分V－A特性直線直流負載線斜率為－1/RCICQvBE=VBB－

iBRBQQ直流負載線斜率為－1/RBIBQvCE=VCC－iCRc特性曲線的交點即為Q點，

IBQ

、VBEQ

、ICQ

、VCEQ第20頁/共95頁2、動態(tài)分析交流通路+－1）輸入正弦電壓

輸入特性輸出特性直流負載線不變Q點沿負載線上下移動輸入特性不變Q點沿輸入特性上下移動輸入回路vBE=VBEQ+

viiBiCvovBEvCE信號通路：vi+－第21頁/共95頁2）圖解法確定各電量變化情況iC/mAQA、在輸入曲線上求iBB、根據(jù)iB在輸出特性上求iC和vCE工作點的運動軌跡稱為動態(tài)范圍vivo共射電路為反相放大器交流負載線斜率為Q第22頁/共95頁第23頁/共95頁3、Q點位置的選擇iCQ飽和失真截止失真Q點選擇在交流負載線的中心點，可獲得最大不失真輸出，當信號幅度不大時，為降低電源消耗，在保證不失真且得到一定電壓增益的條件下，可選擇低一點。交流負載線ICQQ第24頁/共95頁二、小信號模型分析法1、BJT的小信號模型

三極管放大工作時，在靜態(tài)點上疊加交流小信號，三極管對交流信號具有線性傳輸特性，三極管可用線性有源網絡來進行等效。此網絡具有和三極管相同的端電壓、電流關系，為三極管的小信號模型。小信號模型的獲得有兩種途徑：

由物理結構和數(shù)學模型可以得到混合π型等效電路。

視三極管為二端口網絡，利用端口電流電壓關系，得到網絡參數(shù)模型。小信號的條件：第25頁/共95頁低頻混合π型電路模型＋－＋－ceeb＋－基區(qū)體電阻發(fā)射結的結層等效電阻集射電阻集電結的結層電阻跨導

跨導gm反映了作為控制電壓時對集電極電流的控制能力。第26頁/共95頁三極管的網絡參數(shù)（H參數(shù)）模型1）H參數(shù)的引出＋－＋－二端口網絡

放大器采用不同組態(tài)，其端口參量必然不同，得到的參數(shù)也會不同，下面以共射電路為例進行分析。式中hie

hre

hfe

hoe

稱為BJT的H參數(shù)第27頁/共95頁H參數(shù)的含義輸出交流短路時，三極管的輸入電阻輸出交流短路時，三極管的正向電流傳輸系數(shù)（放大倍數(shù)）。輸入交流開路時，三極管的反向電壓傳輸系數(shù)。屬于內反饋，10－4數(shù)量級可忽略不計輸入交流開路時，三極管的輸出電導。第28頁/共95頁電路模型＋－＋－bcee2）共發(fā)組態(tài)的H參數(shù)模型受控電壓源受控電流源簡化模型＋－＋－bcee第29頁/共95頁2、用小信號模型分析基本共射電路2）計算靜態(tài)工作點（已知）1）畫出直流通路圖直流通路+－第30頁/共95頁+－交流等效電路3）畫出交流通路，并采用H參數(shù)交流等效電路替代三極管－交流通路++－第31頁/共95頁4）參數(shù)求解輸入電阻輸出電阻+－假設RC=10KΩ,Ro=?第32頁/共95頁電壓放大倍數(shù)+－適當增加Rc或提高靜態(tài)工作點在一定范圍內可以增大Av第33頁/共95頁4.4放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題一、靜態(tài)工作點的影響：偏置電路設置合適靜態(tài)工作點

偏置電路應該保證外部條件(主要是溫度)變化時工作點不變非線性失真、動態(tài)性能VCCTRCRB+12V4kΩ300kΩ固定偏置電路固定偏流TVBEIBICQ點上移

第34頁/共95頁①利用Rb1和Rb2組成的分壓器固定基極電位若I1

≈

I2>>IB∴VB=I2Rb2=二、分壓式偏置電路Rb1+VCCRCRb2ReRLvivoI1I2VEICIEIBVB1、電路基本特點(1+β)Re≈10Rb1||Rb2I1>>IBVB>>VBEI1=(5~10)IB(硅)I1=(10~20)IB(鍺)VB=3V~5V

(硅)VB=1V~3V

(鍺)第35頁/共95頁②利用Re將IE的變化轉化為電壓的變化ΔVE＝Δ

IE·VBE

穩(wěn)定過程TＶBEIBICIE=IC+IBICIEVBE=VB-IERe加入Re形成了負反饋過程，使電路穩(wěn)壓Rb1+ＶCＣRCRb2ReRLvivoI1I2VEICIEIBＶB第36頁/共95頁2、放大電路指標分析Rb1+ＶCＣRCRb2ReRLvivo靜態(tài)分析Rb1+ＶCＣRCRb2Re直流通路××第37頁/共95頁由交流通路畫小信號等效電路確定模型參數(shù)eb+

–c+–Rb1+ＶCＣRCRb2ReRLvivo－交流通路+第38頁/共95頁增益輸出回路：輸入回路：電壓增益：(1+)Re>>rbe>>1若：eb+

–c+–第39頁/共95頁輸入輸出電阻RiR’i證明如下：從b極看e極的電阻，要擴大(1+)倍！那從e極看b極的電阻，要？輸出電阻Roeb+

–c+–輸入電阻第40頁/共95頁Rb1+ＶCＣRCRb2ReRLvivo分壓偏置電路固定偏置電路+－eb+

–c+–+－電壓增益：輸入電阻：輸出電阻：Ro=Rc#射極偏置電路做如何改進，既可以使其具有溫度穩(wěn)定性，又可以使其具有與固定偏流電路相同的動態(tài)指標？3、固定偏流電路與射極偏置電路的比較第41頁/共95頁CERb1+ＶCＣRCRb2ReRLvivoeb+

–c+–第42頁/共95頁4.5共集電極和共基極放大電路RB+VCCC1C2RERLvivoRB+VCCRE直流通路一、共集電極電路2、電路分析靜態(tài)分析——射極輸出器1、電路形式第43頁/共95頁RB+VCCRE直流通道IBIE折算由基極回路：求Q點第44頁/共95頁RB+VCCC1C2RERLvivoviRBREibicRLvoIeio動態(tài)分析viRBibR’LvoβibierbeviRBREibRLvoβibrbe第45頁/共95頁求Ri求RoRiieioviRBREibRLvoβibrbeRoii內阻Rsvi＝0第46頁/共95頁由圖可見：考慮到（1+β）≈β>>rbe求Ai=io/ii由于電路輸入電阻Ri較大，RB的分流作用一般不能忽略，當考慮了RB的分流作用后求Av=vo/viRiIeioviRBREibRLvoβibrbeRoii第47頁/共95頁1、

Av小于1而接近于1，且vo與vi同相，即輸出電壓與輸入電壓差不多，故又稱為射極跟隨器。射極跟隨器通常用作隔離級，以及多級放大器的輸入級和輸出級。3、特點3、輸入電阻高、輸出電阻低。2、射極跟隨器有電流放大能力。4、應用第48頁/共95頁1、電路形式vi+VCCRB2RCRsRB1CERERLusvo2、分析計算1、Q點I1I2IBRB1+VCCRCTRB2RE二、共基極放大器第49頁/共95頁+VCCRB2RCRsRB1CERERLvsvivovsRsRERLRCiiieiciovivo短路ib2、動態(tài)分析RsvsRERLRCrbeβibRCR'L第50頁/共95頁∵vo=-icR’L②電流放大倍數(shù)

Ai=io/ii

∵io=-ic=-βib

ii=-ie=-(ib+ic)=-(1+β)ib∴Ai=β/(1+β)=αRsvsRErbeβibiiieiciovivoibR'L①電壓放大倍數(shù)Av=vo/vi第51頁/共95頁④求Ro

當輸入端短路時，電流源βib不再輸出電流，故

Ro=RC#

共基極電路的輸入電阻很小，最適合用來放大何種信號源的信號？③求RiRiRoRsvsRErbeβibR'LRCVoiiieicio第52頁/共95頁+VCCRb2RCRsRb1CeReRLvivivo3、特點：(1)vo與vi同相，Av的大小與共發(fā)射極電路相同。(2)輸入電阻小，輸出電阻大，具有電流跟隨作用。(3)工作頻帶寬，適用于高頻電路。第53頁/共95頁

電壓增益：輸入電阻：輸出電阻：電流增益：三種組態(tài)的比較第54頁/共95頁4、6組合放大電路理想的電流放大器：輸入電阻為0，輸出電阻為無窮大的放大器。－－－－－共基放大器相似理想的電壓放大器：輸入電阻無窮大，輸出電阻為零的放大器。－－－－－共集放大器相似

共發(fā)射極放大器既有電壓增壓，又有電流增益，但是其輸入電阻和輸出電阻和理想的電壓放大器和電流放大器相差較大，經過組合可以達到理想放大器相似的性質。引出…

例如，要求Aｖ>2000、Ri>2M和Ro<100級聯(lián)（級間耦合）：直接、阻容和變壓器耦合第55頁/共95頁電流放大倍數(shù)為第一級的放大器的放大倍數(shù)，但是電壓增益大大提高電壓放大倍數(shù)為第二極的放大器的放大倍數(shù)，但是輸入電阻大大提高3）共集－共集組合T1T22）共集－共射組合T1T2T1T2復合管（達林頓管）使電流放大倍數(shù)為兩管電流放大倍數(shù)之乘積，構成射極跟隨器時可提高輸入電阻。1）共射－共基組合第56頁/共95頁組合放大電路的分析性能分析靜態(tài)分析——求Q動態(tài)分析——求Aｖ、Ri和Ro方法：例如求Aｖ1——計算第一級電壓增益時，將第二級的輸入電阻Ri2作為第一級的負載第57頁/共95頁例題

為提高放大電路的帶負載能力，多級放大器的末級常采用共集電路。共射-共集兩級阻容耦合放大電路如圖所示。已知電路中1=2=50，VBE=0.7V。

(1)求各級的靜態(tài)工作點；

(2)

求電路的輸入電阻Ri和輸出電阻Ro；

(3)

試分別計算RL接在第一級輸出端和第二級輸出端時，電路的電壓放大倍數(shù)。第58頁/共95頁

各級靜態(tài)工作點彼此獨立，可分級計算。解：(1)求各級的靜態(tài)工作點；

第二級：射極偏置第一級：分壓式射極偏置電容開路，所以…第59頁/共95頁RiRoRo1(2)

求Ri和Ro；

=Ri=Ri1=R1//R2//[rbe1+(1+1)R4]≈2.66k

第60頁/共95頁(3)

分別計算RL接在第一級輸出端和第二級輸出端時的電壓增益=Ri2=R6//[rbe2+(1+)(R7//RL)]=150//104=61.11k

Ri2第61頁/共95頁復習頻率響應的基本概念1.為什么要研究頻率響應2.頻率響應的分析任務原因1、Av是f的函數(shù),對不同頻率信號的放大程度不同。原因2、信號含多個頻率成分時,會產生頻率失真。(1)頻率響應表達式:(3)確定上限頻率f

H、下限頻率f

L、帶寬BW(2)畫出對數(shù)頻率響應曲線4.7放大電路的頻率響應第62頁/共95頁３、AV隨f

變化的原因放大電路中有電容、電感等電抗元件，其阻抗隨f

變化而變化RbviRcRL固定偏流共射極放大電路C1前面的分析中，隔直電容處理為:直流開路;交流短路計算電容的電抗：（C1=20F）fXc11Hz796210Hz796.2100Hz79.621kHz7.96210kHz0.796100kHz0.081MHz0.008f

<100HzXc1

與rbe=863不能短路f

100HzXc1<<rbe=863可以短路f

Xc1Ib

AV

Rb>>rbe第63頁/共95頁一、單時間常數(shù)RC電路的頻率響應

求頻率響應表達式1.RC低通電路的頻率響應幅頻響應相頻響應先求增益的傳遞函數(shù)：（一階）則?。ㄗ儞Q到頻域）令（轉折頻率—時間常數(shù)對應的頻率）第64頁/共95頁畫出對數(shù)頻率響應曲線（波特圖）最大誤差

-3dB水平線斜率為－20dB/十倍頻程的直線近似討論：幅頻響應-20dB/十倍頻程3dB0

–400.01fH

0.1fH

fH

10fH

100fH

f/Hz–20第65頁/共95頁–45°/十倍頻程

-20dB/十倍頻程3dB0

–400.01fH

0.1fH

fH

10fH

100fH

f/Hz–200°

–45°

–90°

j

H

f/Hz相頻響應為輸出與輸入的相位差低頻時，輸出超前輸入近似討論：第66頁/共95頁2.RC高通電路的頻率響應傳遞函數(shù)：頻率響應表達式:幅頻響應相頻響應轉折頻率第67頁/共95頁波特圖③帶寬BW＝f

H－f

L第68頁/共95頁二、BJT高頻小信號模型及頻率參數(shù)跨導1、BJT的高頻小信號模型fT—

特征頻率第69頁/共95頁2、BJT的頻率參數(shù)＋－＋－ceeb＋－高頻混合π型電路模型低頻時共發(fā)射極截止頻率第70頁/共95頁共發(fā)射極截止頻率-20dB/十倍頻程β下降到1（0dB）時對應的頻率fT為晶體管的特征頻率第71頁/共95頁，稱為晶體管共基極截止頻率既有上述三個頻率參數(shù)都是晶體管的固有參數(shù)，它們在評價晶體三極管高頻性能上是等價的。

有：第72頁/共95頁3、密勒定理和密勒電容網絡傳輸函數(shù)流過Y(s)的電流為：其中即Y(s)

對輸入端的影響可以用并接在輸入端的Y1(s)來等效。同理，對輸出端，流入的電流為：即Y(s)

對輸出端的影響可以用并接在輸出端的Y2(s)來等效。其中1）密勒定理第73頁/共95頁2）密勒電容按照密勒定理可將其單向近似共發(fā)射極基本放大電路的混合Π型等效電路如圖跨接在輸入輸出端之間

第74頁/共95頁CM1

與Cb’e并聯(lián)得到其中很小，可忽略密勒電容第75頁/共95頁三、共射極放大電路的頻率響應已知:問題？所有電容一起分析？第76頁/共95頁f(Hz)Xc1Xcb’eXcb’c131856805M318471M10318.5681M31847M10031.8568.1M3185M1k3.26.81M319M10k0.32681k31.9M100k0.03268.1k3.19M1M3.2m6.81k319k10M0.32m68132k100M0.03m68.13.2k計算電容的電抗：低頻區(qū)：（低頻響應）隔直電容必須考慮結電容開路（X）中頻區(qū)隔直電容短路（X0）結電容開路（X）高頻區(qū)：（高頻響應）隔直電容短路（X0）結電容必須考慮思路：分3個頻段進行頻響分析，然后再合成C

fL

BWC

fH

BW第77頁/共95頁1、單級放大電路的低頻響應分析舉例1：分析過程：③求頻響表達式⑤確定

f

H、f

L（BW）④畫波特圖①求靜態(tài)工作點②畫小信號等效電路（保留電容）電路變換過程：(a)

Rb>>rbe

開路(b)輸出回路：諾頓戴維南第78頁/共95頁③求頻響表達式第79頁/共95頁下限頻率取決于即更精確的關系：⑤確定

f